（工程热物理专业论文）微波干燥过程二维传热传质理论分析与数值模拟.pdf

东北大学硕士论文 摘 要 摘 要 微波干燥是近年来应用日益广泛的一项新型千燥技术，但对其传热传质的研 究尚不充分，日前主要以 试验研究为主，数值模拟较少且多为一维情形，本文试 图用二维方法研究微波干燥过程中的现象。 本文根据工程传热传质学原理，建立了微波干燥过程中物料内部传热传质的 数学模型。 并分析了偏微分方程的定解条件， 综述了所研究物料的水分扩散系数、 比热、介电常数等与温度和含水量有关的参数，以及确定平衡含水量、内热源、 对流传质系数的方法。用控制容积方法对控制方程进行了离散，采用附加源项法 处理边界条件，用交并方向隐式迭代方法对得到的代数方程求解，得出了微波干 燥过程中二维温度场和含水量分布，并用他人的试验结果对本文数值模拟结果进 行了验证。山于微波 燥和热风干燥相比有其独到之处，同时热风微波联合千燥 是研究应用的热点，本文将微波干燥和热风干燥数值模拟结果进行了对比，并对 热风微波联合干燥方式进行了数值模拟。为了确定微波干燥的最佳工艺，对电场 强度、频率、介电常数，以及风温、风速、物料尺寸等参数对微波干燥的影响进 行了探讨。 本文得到的结果对更好地应用微波干燥以 及微波干燥器的设计有一定的参考 价值:为了更好地利用微波干燥，还需要进行进一步的研究。 关键词微波干燥传热传质数值模拟微波热风联合千燥 东北大学硕士论文 ab s t r a c t t h e o r y a n a l y s i s a n d n u m e r i c a l s i mu l a t i o n o f t w o - d i m e n s i o n a l h e a t a n d ma s s t r a n s f e r d u r i n g mi c r o w a v e d r y i n g ab s t r a c t mi c r o w a v e d r y i n g i s a n a d v a n c e d d r y i n g t e c h n i q u e u s e d i n c r e a s i n g l y i n r e c e n t y e a r s . t h e r e s e a r c h e s o n h e a t a n d m a s s t r a n s f e r a r e i n c o m p l e t e a n d m o s t o f t h e m a r e e x p e r i m e n t a l o n e s . t h e r e r e n o t m a n y r e s e a r c h o n s im u l a t i o n o f t h e p r o c e s s a n d m o s t o f t h e m a r e o n e - d i m e n s i o n a l . t h i s p a p e r t r y t o d o s o m e r e s e a r c h o n t h e p h e n o m e n a d u r i n g m i c r o w a v e d ry i n g b y m e a n s o f t w o - d i m e n s i o n a l m e t h o d . t h i s p a p e r s e t u p t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f h e a t a n d m a s s t r a n s f e r i n in t e r i o r o f m a t e r i a l d u r i n g m i c r o w a v e d ry i n g b a s e d o n e n g i n e e r i n g h e a t a n d m a s s t r a n s f e r t h e o ry . i n t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e b o u n d a r y a n d i n i t i a l c o n d i t i o n s t o s o lv e t h e p r o b l e m . a n d i l l u s t r a t e p a r a m e t e r s u s e d in t h e s i m u l a t io n s u c h a s t h e m a s s t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , s p e c i f i c h e a t , a n d d i e l e c t r i c c o n s t a n t , w h i c h c h a n g e w i t h m o i s t u r e c o n t e n t a n d t e m p e r a t u r e . a l s o s h o w t h e m e t h o d t o d e t e r m i n e e q u i l i b r iu m m o i s t u r e c o n t e n t , i n t e rn a l h e a t s o u r c e , a n d c o n v e c t i v e m a s s t r a n s f e r c o e f f i c i e n t . t h i s p a p e r u s e c o n t r o l v o l u m e m e t h o d t o d i s c r e t e t h e c o n t r o l e q u a t i o n s . a d o p t t h e a d d i t i o n a l s o u r c e t e r m m e t h o d t o d e a l w it h t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s . f i n a l ly s o l v e t h e a l g e b r a i c e q u a t i o n s b y a l t e rna t e d i r e c t i o n i m p l i c it ( a d i ) i t e r a t i o n . t h e n g e t t h e t e m p e r a t u r e a n d m o i s t u r e c o n t e n t d i s t r i b u t i o n o f d i ff e r e n t n o d e s d u r i n g d ry i n g p r o c e s s . a n d t h e r e s u lt s a r e t e s t e d a n d v e r i f i e d b y t h a t o f o t h e r p e o p l e s e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h . c o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l d ry i n g , m i c r o w a v e d r y i n g i s u n iq u e i n m a n y a s p e c t s ; a t t h e s a m e t i m e c o n v e c t i v e - m i c r o w a v e d r y i n g i s t h e p o p u l a r f i e l d o f r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n . t h e r e f o r e t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n m i c r o w a v e d ry i n g a n d c o n v e c t iv e d ryi n g i s m a d e . i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e b e s t d r y i n g c o n d i t i o n s o f m i c r o w a v e d r y i n g , t h e e ff e c t s o f e l e c t r i c s t r e n g t h , f r e q u e n c y , d i e l e c t r i c c o n s t a n t , t e m p e r a t u r e a n d v e l o c i t y o f h o t a i r a n d t h e s i z e o f ma t e r i a l a r e d i s c u s s e d . a l l t h e r e s u l t s a c h i e v e d i n t h i s p a p e r w i l l b e o f s o m e h e l p t o t h e a p p l i c a t i o n o f m i c r o w a v e d r y in g a n d t h e d e s i g n o f m i c r o w a v e d ry i n g e q u i p m e n t . b u t th e f u r t h e r r e s e a r c h w i l l b e n e e d e d t o m a k e g o o d u s e o f mi c r o w a v e d ryi n g k e y w o r d s m i c r o w a v e d ryi n g , h e a t a n d m a s s t r a n s f e r , n u m e r i c a l s im u l a t i o n , c o m b i n e d m i c r o w a v e a n d c o n v e c t i v e d ry i n g i i i 东北大学硕士论文 声明 ， 全 二a口 于 口. ， j 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 本人签名: 日期: 祝 圣 远荞 t圣 远 2 0 0 4 年 2月 东北大学硕士论文 第一章 绪论 第一章 绪 论 1 . ， 微波干燥应用前景 人们在史前就开始使用干燥技术，干燥是耗能大户，干燥能耗占全国总能耗 6 -1 0 % a ， 几乎所有的产品、 原材料在不同的阶段都需要进行脱水或千燥， 虽然干 燥是最古老的单元操作之一，然而它也是最复杂、人们了解最浅的技术，在干燥 技术的许多方面存在着 “ 知其然而不知其所以然”的状况，因此大多数干燥器的 设计仍然依赖于小规模试验及实际操作经验.干燥技术的研发还相对滞后于人们 生产、生活的需要。 任何干燥技术都是为了以最低的费用除去物料中的水分， 得 到符合要求的产品为目的的。热风千燥因为人们对其相对熟悉、操作简便、设备 的投资和运行费用都比较低.是目 前应用最为广泛的干燥方式之一。但是随着人 们生活 水平的 提高以 及生产 工艺的 需要 d ， 现在干 燥不仅仅是为了 除去物料中 的 水分，更重要的是能够获得高品质的产品。热风干燥食品时，由于热风干燥使用 较高温度的空气作为干燥介质，干燥时间又相当长，尤其在干燥后期处干降速段 时，最后得到的产品往往色香味丧失殆尽，同时热风干燥对产品的组织有很大的 影响，导致产品的复水性差，严重影响口 感，而且营养成分损失极为 严重。 在我 国加入 wt o以后，要使我们的产品打入国际市场必须提高干燥产品的质量:同 时为了持续性发展，干燥更要注重千燥品质、能量消耗、 对环境的影响。热风干 燥通常使用煤、 石油、天然气等化石燃料，干燥过程中 排放的 c o z . s o 2 , n o , 及其它有害物质都对环境有很大的影响。随着科技的发展，人们积极探索使用新 的干燥技术，涌现出了许多干燥新技术，微波干燥就是近年来应用日 益广泛的一 个。 相对于热风干燥而言，微波干燥可以克服上述热风干燥的不足。微波是 一 种 电磁波可以直接作用于物料内部， 电磁波瞬间可以转化为热量， 普通干燥方式中， 热量需要从物料表面通过传导方式传递到物料内部，从而使干燥时间大为缩短。 因为干燥时间短，能够使物料的营养成分损失的很少，在微波干燥时，使用的是 电能， 几乎不排放对环境有害的物质，对环境来说是十分友好。由于微波干燥所 具有的独有的特点，使得微波干燥的应用日 益广泛。微波技术及其应用已经作为 一项高新技术被指定为我国“ 十五” 计划重点研发项目。 任何事物都有其两面性， 微波干燥也是，如果使用不当也不能获得较高的干燥品质。比如在微波干燥时的 加热不均匀，容易在物料的边角处吸收过多的微波能量，从而导致产品的过热甚 至烧毁，严重的影响产品质量;在千燥后期随着含水量的减少，应该适当降低输 入功率，否则物料吸收过多的能量，导致物料过热甚至烧毁:和热风千燥方式相 比，微波干燥装置的初投资和运行费用都相对较高。 微波千燥还是一种新型的干 燥方式，人们对微波的认识还不够深入，在一定程度上阻碍了 微波干燥技术的推 广应用。 微波干燥技术近儿年引起了人们广泛的关注，但是微波干燥技术的应用己经 有很长的时间。 微波其实无处不在， 光线、 x 射线、 a m, f m电波以及红外线等。 在人们对微波的使用过程中发现了微波的热效应， 从而开始了对微波加热的研究。 微波加热的实际应用开始于二次世界大战，战后不久就发明了家用微波炉，美国 东北大学 硕士 论文 第一章 绪论 f d a ( f o o d a n d d r u g a s s o c i a t i o n ) 1 9 6 8 年批准在 食品 z 业中 应用， 微波在食品 工业中的应用越来越广泛，到 1 9 9 0年美国家庭微波炉普及率达到 8 0 %，日本达 到6 5 %， 我国到2 0 0 1 年为止， 城市家庭微波炉的普及率也达到了8 0 . / . il l 。 在世界 范围内来看，每年在运行的微波加热设备功率为 5 0 - 6 0 m w。每年微波加热设备 的销售额为 1 5 0 02 5 0 0 万美元，而美国家用微波炉在年销售额为 1 5 亿到2 0 亿美 元3 1 工 业微波加热占 如此小 份额的原因主要有两个:大多数的科技工作者不熟 悉微波加热的工作机理;微波加热同普通加热方式相比具有彻底的不同，同时在 很多的工业领域内，人们往往抵制新技术的应用。 微波干燥所使用的能量是高品位的电能， 这就决定了微波干燥的成本比普通 干燥方式要高得多。现在微波干燥还只用于干燥附加值相对比较高的产品。往往 用在使用常规加热方式花费很长的时间，或者使用常规千燥方式不能获得所需要 的品质。应用微波干燥虽然能够显著提高千燥速度、减少千燥时间，但有时这些 改善不能补偿微波干燥带来的费用的增加。很多的实验表明，不管是在大气中还 是在真空环境，把微波能量馈入到各种各样的其它类型的干燥机中，比方说，流 化床、喷动床、振动床或者是托盘式千燥器中，都能够显著的降低干燥时间，并 且提高干燥产品的品质。但是由于初投资和运行费用非常大，使得使用微波在费 用上得不偿失。 但是如果能够准确预测出微波干燥过程中，不同时刻、位置的含 水量和温度， 进而确定出整个干燥过程中的干燥速度，就可以以次确定微波干燥 的最佳工艺，以及为微波干燥机的设计提供基础。现在对微波干燥室加热均匀性 的认识亚待加强。控制加热均匀性是至关重要的。现在缺少一个能够描述微波千 燥的一般化模型，要求这个模型能够根据物料的介电性质、水分分布、密度、物 料的组成等预测微波千燥过程中的加热方式、水分和蒸汽的扩散。此外有关物料 水分、蒸汽扩散系数的可靠数据不是很充分。此外就是物料的介电性质在干燥过 程中随着含水量、温度的变化而变化，因此就会带来吸收微波能量的变化，这就 要求在微波干燥的不同阶段， 相应的调整微波干燥功率，起到有效利用能量和保 证较高质量产品的目的。因此根据微波场的分布计算物料内部微波能量的耗散， 和相应的微波干燥过程中的传热传质就是需要解决的问 题。再有就是需要了解几 何形状、物料尺寸，以及收缩、膨化和裂纹的影响。微波干燥与普通干燥方式相 结合干燥机的 最优设计是对这一领域研究者的 重大挑战 间 。 1 .2国内外应用概况 微波加热与微波干燥己 经有了非常广泛的应用。粗略地来讲，微波千燥己 经 应用于化工行业、食品行业、毛纺印染业、茶叶加工、医药业、烟草业以及其它 行业。随着人们对微波技术认识逐渐深入， 在诸多领域都有了微波干燥的应用。 下面是几个行业中的应用: 1 . 2 . 1 食品工业 食品通常湿含量为5 0 % - 9 7 %， 运用微波干燥或微波强化干燥食品具有广阔的 应用前景。 ( 1 )食品的微波快速干燥用微波加热的方法将蔬菜千燥成湿含量低于 2 0 % 的“ 干菜” ， 可比 传统方法效率高十多倍。 这种方法不仅适用于蔬菜类的干燥， 更适合于海藻类食品的千燥。在显微镜下观察微波干燥过的蔬菜，可发现其组织 _ 2- 东 北 大 学 硕 士 论 文 _ 与新鲜蔬菜的接近程度仅次于冷冻干燥的产品， 第一章 绪论 但其干燥时间比冷冻干燥短。微 波也可以对油炸类产品进行最终干燥，不仅节省油，还可得到含油率低的清淡味 美的食品。 热空气干燥面团要 5 - - 8 h以 避免结壳或开裂， 微波干燥只要1 - - 2 h ，从初始湿 含量干燥到2 0 %，并用热风带走湿分， 菌污染， 如热空气和微波组合千燥大蒜， 可以节能2 5 %。用微波千燥还可以减少细 热空气将水分从8 0 % 干燥至1 0 % 湿基) ， 然后用微波干燥至5 %，细菌总数下降9 0 %，节能3 0 %. 微波在真空状态下， 可以处理温度高于4 0 c( 有时甚至1 5 c ) 时就会变质或 降解的物料，真空千燥箱只能通过热传导，通常没有对流传热，干燥时间很长。 微波真空干燥的产品有水果浓汁、 茶粉、 酶、 蔬菜 ( 蘑菇、 蒜、 大豆等) ， 操作费 用介于喷雾和冷冻干燥之间。 在这些系统中， 物料通常为膏糊状，铺放在传送带 上，沿特殊制造的隧道 ( 真空度为1 3 3 .3 - 2 6 6 6 p a )穿过，形成泡状物。干燥后复 水性能相当好。若固形物含量大，采用此方法比喷雾和冷冻干燥好，能够减少耗 能，降低费用。微波与热空气联合干燥西红柿、葡萄、土豆片所需干燥时间分别 为使用热空气干燥的 1 / 4 . 1 / 3 . 1 / 6 0 ，并且提高了产品的质量 复水性好、皱缩 程度低) 。 用微波干燥胡萝卜 ， 产品的堆密度低， 具有更为均匀的复水特性 ( 见图 3 . 3 6 1 9 - 5 4 ) . ( 2 )食品的微波膨化干燥 豆谷类和薯类等的物料加水进行a 化后，再 加入必要的食品添加剂调制成型， 然后进行预干燥，再用微波使制品快速干燥。 以蛋白 质为主的原料加入淀粉类强化剂、食盐、调味品和膨胀剂等混合搅拌、成 型、预干燥后，再用微波加热，被加热的产品便产生二氧化碳和水蒸气，从而得 到质地松软的方便食品。豆谷类、根茎果菜和藻类等食品经磨碎、干燥，再用微 波和热空气一起加热， 便可得到长期保存的方便食品。 ( 3 )肉类的微波烹调加工 将微波能加入肉 类的烹调器具中，缩短了烹 调时间， 便于食品的再加热， 如用频率 2 4 5 0 mh z 、功率 2 且不破坏肉类的营养成分， 平均节约能量6 3 % 左右。 .2 k w 的微波烘烤肉 类的时间仅为2 . 8 m i n , 的烤炉烘烤湿间短得多。 大小形状不一的限制。 骨头可以反射微波，因而肉的内部更易熟透， 比用一般 不受肉块 ( 4 )冷冻食品的微波解冻 射， 波 3 . 8 1 k g 的冻鱼只用 1 2 . 5 m i n 将冻鱼放在带式输送机上， 用高频或微波辐 便可解冻，若用 6 - 9 的流水解冻则要 3 h 。在微 ( 9 0 0 mh z )辐照下，肉从一 1 8 解冻至一 4 *c( 此温度下，易于绞碎，但又不至 于使细菌滋生) ，然后再调节至2 0c ( 5 )食品的微波杀菌和保鲜 只需要5 m in . 在微波场中 基、 可动性基等微波电磁场下激烈的回转与振动， ，构成微生物的各种高分子极性 使蛋白质以及核酸等产生变异， 从而杀死细菌。一般情况下，霉菌、 酵母和一般细菌加热全 7 0 - 8 0 c v , l h e 7 ; 31 l , 若用微波加热 l m i n就能 达到杀菌的目 的。 对于霉菌的抱子，如青霉素的抱子要 在6 8 - 7 1 经过2 0 m i n 才 一 能杀死， 若用微波杀菌， 在6 56 6 的温度下辐射2 m i n 便可得到满意的效果。 1 . 2 . 2 医药工业 通常中 药材和中成药丸或片剂采用旧 式烘房， 处理2 0 0 - 2 5 0 k g 的水丸要2 0 h , 处理同量的蜜九平均要6 h左右。而采用微波加热千燥，则分别需要 4 - 5 h和 1 h 左右。 采用微波连续干燥， 则分别需要2 2 m i n 和4 .5 m i n 便可达到要求。 而且微波 东 北大学硕士论文 第一章 绪论 加热干燥的丸药含菌数比未加热干燥处理的样品降低5 8 % u 9 9 %， 比 烘房干燥降低 1 5 0/ 4 - 9 0 %。经微波处理后，中成药的主要成分不受影响，而且丸药的色泽也好， 收缩率比 烘房千燥要小.特别是草药。医药工业往往使用微波真空千燥，生产容 量为1 .2 m 3 ,需要功率3 6 k w，操作安全、清洁、卫生、节能。 1 . 2 . 3 陶瓷工业 陶瓷工业很多年以 来就在探索使用微波来实现干燥目 的。现在已经有了几个 成功的应用。其中的一个例子是在加拿大多伦多使用的mc b陶瓷系统，原来依 靠手工分批操作十分缓慢，现在通过在两个阶段使用微波实现了连续操作。在初 始干燥阶段使用2 7 k w 的微波炉来加速干燥，微波作用2 m i n ，可以将原来 1 h的 干燥时间降低到2 0 m i n 。原来最终干燥需要2 4 h ，现在使用微波仅需要8 m i n ，然 后上釉烧成成品。这种工艺通常用来做浴室的小饰物比如毛巾挂钩、肥皂盘等。 另一个应用是陶瓷过滤器， 用来清除在铸造炉倾倒液态金属之前的炉渣。 这 种过滤器使用微波的独特工艺制成。 过滤器大小为1 2 x 1 2 英寸见方2 英寸厚， 在 内外涂抹聚氨醋或橡胶泡沫和陶瓷浆的 混合物。 然后用微波均匀加热干燥2 5 m i n , 然后将过滤器放到窑里烧掉泡沫，便留下多孔陶瓷结构。 1 . 2 . 4 铸模制造 在铸造工业中使用微波对沙子进行干燥和聚合是很重要的。 这样沙子可以 完 全被回收利用，大大提高铸模制造的速度，而使用热风干燥和处理时过程十分缓 j漫。一个应用的例子是汽车发动机内部铸模的制造。 铸造的另一个新方法是利用微波加热的独特特点去除泡沫。复杂的铸造比如 汽车发动机、船舶部件使用聚苯乙 烯制成，外面包覆陶瓷，然后进行干燥。 泡沫 是热的绝缘体，使用热风干燥需要很长的时间，然而单纯使用微波或者微波和热 风联合可以显著地缩短干燥时间。福特汽车公司将成串的泡沫悬挂在单轨铁道上 在4 5 x 2 5 x 7 英尺4 8 k w的微波炉腔体中 通过。在这种情况下， 先使用热风千燥 7 0 m i n ，然后用微波干燥 2 0 m in ，比单纯使用热风干燥需要 4 h ，能显著缩短时间 和提高效率。 这种工艺的要求非常严格:要求陶瓷涂层 1 0 0 % 干燥，内外涂层必须光滑均 匀， 没有脆性和过度千燥、褐化，涂层不能剥落和分离:设备必须能够处理变化 的生产率，炉子可能满负荷或者空载的情况下运行;在出入口处有大的开口，为 了保证人身安全必须有防泄漏装置。 此系统自1 9 8 5 年以 来一直运行得很好。 1 .2 . 5 其他应用 除以 上所述的以外，微波干燥还在其他方面有很多应用。比如用在实验室 分析上。有几个系统己 经用在确定固体和水分含量的分析上。这些系统有很快的 速度和很高的精度。通常能够在 2 - 3 m i n确定水分含量而使用其它的方法则需要 几个小时。 微波应用于工业涂层干燥。有不少系统用在塑料和纸张涂层的干燥。也包 括相片底片卤化银的干燥。这些系统能够结合快速干燥和水分自 动平衡的高效特 小1 -1丁了 型二竺二二一一一一一一一 一一一-东北大学硕士 论文 第一章 绪论 性。 还有就是化工制品的千燥; 木制品 家具、胶合板、木雕)的干燥、加热加工、 粘接; 竹制品的干燥、杀虫、防霉;纸、纸板、纸9的十燥:反单十r te;日 路t ? - , 木糖醇的干燥;烟丝的膨化、烟叶干燥。 微波加热与微波干燥是微波技术与其它学科交叉结合而产生发展起来的一门 新学科， 微波学科和其它学科工程师之间处在知识的“ 盲点” ， 相互之间的合作交 流少，阻碍了微波技术进一步更加有效的推广应用。可喜的是有越来越多的研究 者开始对微波加热与干燥产生了兴趣，不乏关于微波加热与干燥的报道与研究。 1 . 3 国内外研究概况 关 于 微波加热与微波干燥大体上可以分为两类: 一类是实验研究， 利用经验或 者半经验的模型整理数据;另一类是理论研究，主要的是对微波加热和微波千燥 过程进行数值模拟和计算。总的来说，以实验研究居多，还要加强关于微波加热 用，如果和己 有对流干燥机联合使用，会进一步地缩短干燥时间，在实验中改变 东 北大学 硕士论文第一章 绪论 空气的温度和流速来考察对干燥的影响，发现提高空气温度能够非常显著地提高 干燥速度， 干燥时间缩短为原来的6 0 %，空气速度在降速段比在恒速段对干燥速 度的影响大，建议在多阶段干燥时，在千燥的后半段提高空气速度会更加节能。 g g b o r s z a b 6 1 ( 2 0 0 2 ) 等 研究 了a g a ri c u s b i s p o r u s 蘑 菇的 微 波 和 热 风 干 燥， 实 验 结果表明单纯使用微波或者热风都不可能获得令人满意的产品，联合干燥的产品 具有很好的可食用性，有几乎完美的复水性。作者认为最有效的干燥策略是在恒 速段使用对流干燥，在降速段开始使用微波干燥，在降速段的最后阶段使用对流 干燥可以 使含水量的分布更加均匀。 a . b . b a n o f o n t e等 1 3 ( 2 0 0 2 ) 做了 琼脂凝胶 对流微波实验研究，实验采用了闭环、计算机控制的对流微波干燥设备，实验能 够在很大的范围内调节热风条件和微波干燥功率，使用红外线温度计测量物料表 面温度。对平板形物料得到的干燥曲线可以分为四个不同的阶段:开始阶段干燥 速度迅速提高， 可以从物料表面温度体现出来; 恒速段持续到对流干燥的临界点; 第一降速段到微波干燥的临界点结束;最后是第二降速段。热风微波联合干燥能 够带来干燥时间的显著降 低， 干燥时间 和所用的 微波功率成反比。 p a g e 方程能最 好地描述干燥动力学。用实验方法估计吸收的容积能量和含水量的关系，用实验 数据拟和出了经验方程。 在 数 值 计 算 方 面r a r n i 丫j u m a h 和g . s . v r a g h a v a n 1 1 ( 2 0 0 1 ) 做了 喷 动 床中 微波热风联合干燥传热传质的分析， 根据l u i k o v 方程和非平衡动力学理论建立了 数学模型，选用小麦作为试验物料，表明 微波和热风结合比单纯热风干燥具有更 高的干燥速率，提高微波场电场强度、频率、入口空气温度会提高物料温度、千 燥速度和减少干燥时间。虽然空气速度对干燥速度的影响不是很显著，但是会对 颗 粒 温 度的 变 化 产 生 影 响 。 e . c . m . s a n g a 等 1 5 1 ( 2 0 0 2 ) 对 收 缩 性 物 料 对 流 微 波 干 燥进行了数值模拟，研究对象是非均一性的物料，将物料放置在对流环境中，收 缩性物料的周围包覆非收缩性、低损耗的物料，求解过程中连续重新定义问题的 求 解 域， 数 值 计 算的 得 到 的 干 燥 速 度 和 实 验 结 果 吻 合 的 很 好 。 w e i w a n g 6 1 ( 2 0 0 2 ) 等做了热敏多孔物料在流化床干燥时使用微波加热的研究，以胡萝卜 作为多孔物 料，研究了微波间歇式加热的影响。数值计算结果表明不同的微波加热方式能够 显著影响流化床干燥的效果。 在相同功率密度条件下， 使用间 歇式微波干燥代替 连续式微波干燥能够防止物料过热，在干燥开始阶段较高的能量水平能够能提高 能 量 利 用 率， 并 且 物料 颗 粒内 部 不 致过 热。 a . v . m a r k o v 和y u . p . y u le n t s 17 1 ( 2 0 0 2 ) 研究了有内 热源的高强度干燥的传质机理，讨论了压力梯度对传质的影响，认为 高频和微波干燥速度快的主要原因在于单位时间内大量的能量输入，这些能量输 入能够保证较高的相变速率。 国内关于微波干燥的研究也非常多。其中研究比较多的是浙江大学王俊 d 8 1 1 9 112 0 2 1 1 ， 他对黄桃、 胡 萝卜 、 土豆片、 刀豆等诸多物料进行了 微波千燥实验研 究， 2 2 1 ( 1 9 9 7 ) 做了 微波干燥黄桃内 部质热传递过程的模型， 在f i c k 扩散定律和 导热微分方程的 基础上考虑热湿扩散、水分直接蒸发及内热源的影响，建立了微 波干 燥黄桃时内 部 质热 传递 模型， 计 算 值与 实 测值基本吻 合。 2 3 1 ( 1 9 9 8 ) 做了 稻 谷的 微波干燥特性及质热模型的研究， 稻谷微波干燥可分为第一、 第二两个降 速 段， 当 干燥功率小于0 .2 w / g 时， 发芽率高、 爆腰率低。 微波干燥脂肪酸含量低于 热风干燥。建立了微波干燥稻谷的质热模型，根据实验数据了确定了水分传递系 数。随着经济的发展和人们生活水平的提高，干燥花作为一种装饰品已 经走入了 人们的生活。干燥花是将植物材料经过脱水、保色、定形处理而制成的具有持久 观赏性的植物制品。它不仅具有植物的固有色彩和形态，而且其观赏期长，可以 悬 挂、 摆 放在 很多 场 所， 颇受 消费 者 青 睐。 中 国 农 业大 学 梁凌云 等 12 0 1 ( 2 0 0 3 ) 进 东北大学硕士论文第一章 绪论 行了 微波干燥切花月季的规律研究， 指出 微波连续干燥不适合干燥切花月季， 应 该采用间歇加热干燥， 试验结果表明 微波加热 l o s 、间歇 4 5 s 的干燥工艺较佳。 农业部南京农业机械化研究所肖 宏儒等( l ( 2 0 0 0 ) 进行了 微波气流式干燥技术在 菊花烘干中的试验研究，发现纯微波千燥时间很短，但菊花的品质较差;纯气流 千燥当花朵的含水量达到1 8 %时，花瓣已经干焦甚至脱落，而采用低温气流长时 间千燥，干燥成本较高，而且生产效率低:采用微波气流组合干燥方式，先采用 微波对菊花进行干燥， 使含水率从初含水8 5 %降低到6 7 %， 然后进行气流干燥到 1 8 % ， 这种方式具有效率高、 干燥时间短、 能够较好地保持菊花的品质。 ( 2 6 1 ( 2 0 0 3 ) 进行了茶叶微波加工技术及其设备的研究，目前我国绿茶加工常用的炒青方式很 难保证杀青匀透，造成茶叶色泽不够绿脆，尤其是机制名优茶色泽偏暗，滋味较 淡薄，汤色偏黄，有红梗红叶等，并且往往烟焦味严重，试验发现微波干燥能够 快速升温达到钝化酶的临界点温度，加速茶叶结合水的迁移，非常适合于绿茶杀 青工艺和茶叶后期干燥作业。试验表明，与传统燃煤方式相比，微波杀青、干燥 的综合成本可降低 8 . 5 个百分点，而且加工出的茶叶售价要高出3 0 %。北京农学 院 王 玫 等 2 1 1 ( 1 9 9 8 ) 做了 微 波 干 燥 桃脯、 苹 果 脯的 实 验研 究， 果 脯 是 北京 久 负 盛 名的 传统食品， 果脯干燥目 前在热风烘房内 进行， 在热风温度6 57 0 0c , 8 0 % 湿度 高 温高湿条件下需要 l o h ， 有的品 种长达3 0 h ，实验证明当热风风速在3 . 5 - 7 m / s 的空气中进行间歇干燥时，所需干燥时间显著缩短，比完全使用热风能耗降低 3 0 . 4 % ， 时间 缩短3 1 % 。 东 南大 学王朝 晖等 2 8 ( 1 9 9 7 ) 研究了 牛肉 的 微 波冷冻 干 燥 特性，进行了不同电场强度、真空室压强和物料厚度的微波冷冻干燥试验，结果 表明当电场强度不高于 1 . 5 0 v / c m ，真空室压力在 i o p a 左右时，微波冷冻干燥效 果比 常规 冷冻效果好。 江南 大学 徐艳阳 等12 4 1 ( 2 0 0 3 ) 做了 热风 和微波真 空联 合干 燥甘蓝的试验研究，试验结果表明，联合干燥比热风干燥缩短干燥时间4 8 . 3 3 % , 提高了产品的营养成分、叶绿素的保存率，产品质构疏松，微波干燥具有高效杀 菌作用。 西北林学院马惠玲、弓 弼13 0 1 ( 1 9 9 8 ) 做了果蔬微波干制的 研究， 对7 种 果蔬进行了微波干制实验，发现不同种类果蔬对微波干燥的 适应性是不同的，获 得干制品的难易程度与物料的含水量有关。此用增大表面积的切分方式，有利于 物料的干制和保持形态。含水量较低的物料果蔬失水速率平稳， 干制过程中不易 皱缩变形。微波干制果蔬的后期易出现焦化现象，应该降低微波强度，即低强度 处理。 淀粉质的马铃薯干燥， 可获得高品质的膨化千片， 便于规模化流水线生产。 洋葱经微波干燥可以 获得原色原味的 干片， 适合于工厂化生产。 微波干制得到的 苹果片口 感、风味俱佳，外观有待改善。研究中采用不同的微波功率处理，可使 果蔬物料在 2 0 .3 0 m i n 内彻底干燥，而使用远红外烘箱等量物料需要 5 h以上。 上面所述是近几年国内外关于微波干燥的实验与理论研究，只是众多研究中 的一小部分。但是从中可以很容易地得出一些结论:微波干燥是研究和应用的热 点;微波千燥能够显著的缩短干燥时间，获得较高的干燥品质;鉴于微波干燥较 高的成本和获得较高干燥品质的需要，微波和热风以及其它方式的混合干燥是人 们感兴趣的方向;目前的研究以实验研究居多。 东北大学硕士论文第二章 研究的目 的 第二章 研究的目的 z . ， 微波干燥数值模拟的必要性 微波干燥具有非常广阔的市场，需求量很大，我国已经把微波技术及其应用 作为一项高新技术列入 “ 十五” 计划重点研发项目 。在微波干燥方面很多研究者 在很多的领域已经或正在做着有益的尝试。 沈阳市科委 1 9 9 2 年立项研制高效能微波干燥机， 沈阳远大科技实业有限公司 进行了微波干燥机的研究工作， 鉴于目 前工业微波磁控管的高昂价格 ( 平均1 k w 微波功率售价1 万元) ， 沈阳远大试图从家用微波炉着手， 将家用微波炉改装以后， 多个串接起来，来实现较大功率的要求，同时又可以在两个微波炉之间放置热风 管道，可以实现微波与热风千燥的完美结合，通过调节微波炉的个数和中间热风 管道的长度，可以实现微波与热风结合的比例问题。沈阳远大尝试将此设备应用 到化工产品苯并咪噢的干燥上，获得了很多有益的经验。苯并咪哇是一种重要的 化工原料， 可以作为药物中间体， 制备人、 畜驱虫药物和柑桔属果类的杀真菌剂， 以 及果品保鲜剂。将 1 2 0 犯湿物料千燥到7 %，在热风烘箱内进行烘干需要2 0 h , 在用微波干燥进行实验后发现仅用4 h 就可以完成干燥要求。 沈阳远大这种采用家 用微波炉代替工业微波炉的想法，实际上有人已经做了探讨，如安徽农业大学冯 能 莲、 王德义和三乐电 气总公 司的 李 旭东、 李强 1 ( 1 9 9 6 ) ， 安徽 农业大学朱 张 青、 江家伍等1 2 1 ( 2 0 0 1 ) 做的 农产物料微波干燥实 验设备的 研究， 将两台wp 7 5 0 - 1 型微波改装，去除微波炉中玻璃转盘及驱动电 机，将原炉门换成腔壁，在加热腔 正面和背面开有输送物料的进出口 槽，两加热腔之间设置连接器，整个加热部分 两端设置抑制器，以吸收开槽泄漏的微波能量。同时加热腔上开有观察窗，以 便 试验中及时掌握设备运行及干燥的进行情况。该试验设备克服了微波炉间 歇干燥 试验不能适应连续生产的缺点，又能避免直接采用生产设备进行试验的人力、电 力和物料等的过多的消耗;可进行多腔组合，以满足不同功率的需求、使加热更 加均匀: 用微波炉进行改造，造价低、 质量高，使用维护方便，漏能指标符合安 全要求( 3 0 0 mh z ， 连续工作6 小时， 3 a- 东 北大学硕士论文 第三章关于 微波干燥 安全 标准密 度为1 0 u w / c m 2 ， 连续工 作两 个小时 为o . 1 m w / c m 2 , 2 0 分钟 可允许 达 到1 m w / c m 2 0 表3 . 3 我国1 9 7 9 年5 月i 日 由 卫生部、四 机部 颁发 试行的“ 微波辐射暂行卫生 标准” 3 9 t a b l e 3 . 3 t e m p o r a r y s t a n d a r d o f m i c r o w a v e i r r a d i a t i o n i s s u e d b y s a n i t a t i o n d e p a r t m e n t a n d t h e 4 h m e c h a n i c a l d e p a r t m e n t o n m a y 1 , 1 9 7 9 频率 微 微波泄漏极限 3 8 u w / c m 2 3 0 0 u w / c m 2 大 于1 m w / c m 2 5 m w/ c m 2 1 m w/ c 扩 连续8 小时工作/ 每天 短时间间断辐射、日 剂量不得超过值 应使用个人防护用品 不允许工作 出厂设各距外壳5 c m 处漏能不得超过值 有时候会出现辐射标准，它是距设备5 e m 处测得的漏能值，不同于辐照标准 一辐 而稍高于它，一般用于控制加热设备出厂的漏能值。美国对此规定了两个值， 个是出厂设备要求辐射标准低于 1 m w / c 扩， 而使用微波加热设备的过程中， 射 标 准 为5 m w / c m z o 对家用微波炉出厂的微波泄漏检测，规定炉中标准水负载 为2 7 5 c m 2 。 许多厂家为了 满足顾客低泄漏要求的心理， 把家用微波炉的出厂辐射 标准规定为1 m w / c 扩 以 下。 我国的标准是1 9 7 9 年由卫生部与电子工业部( 当时四机部) 联合发布的一个 暂行标准， 一直沿用至今， 如表3 . 3 。 总的来看， 我国的这个标准是接近于前苏联 的，是属于较严格的一类标准。 3 .4 . 5 . 3 微波能f抑制器 微波泄漏主要出现于微波源与加热器两个部件，近年来为防止磁控管高次谐 波从阴极腿溢出，导致对通信的干 扰， 增加了1 - 5 次谐波抗流器， 即在 阴极陶瓷筒内加上高度为入 , / 4的扼 流筒， 使高次谐波辐射大为减少。 微 波干燥器由于生产需要，往往开有 孔、门、 进出口，不可避免地存在缝 隙。 在上述这些地方应该设置微波能 量泄漏的装置。 可是为防止微波从微 波源和加热器漏出， 达到我国的安全 标准， 确实是一件艰巨的任务， 尤其 对一些几十千瓦的大功率加热器， 在 使用中应该用金属网或金属板， 将微 波干燥器与操作人员隔开。 考虑防止泄漏时， 必须同时考虑 尽可能小的降低加热器的效率， 因此 这些防止泄漏元件应尽可能是无损 耗的电抗系统。 就两类主要加热器而 言， 腔式加热器一般用磁控管就近向 ( 衰减橡胶材料) ( 炉体) ( 低损耗介质) 3 图3 . 2 7扼流门结构 f i g 3 .2 7 s t r u c t u r e o f c h o k e 东 北大学 硕士论文第三章关于 微波干燥 腔馈能的结构，泄漏主要发生于炉门。炉门抗流与打开炉门连锁切断高压电源装 置，己能使腔式加热器工作在安全标准上。 而传送带式连续加热器， 可用于单模、 多模腔或行波式加热器，它们没有密封口，出入口的微波密封成为主要的问题。 ( 1 )扼流门结构由于炉门和门框之间，长期开闭磨损将产生金属接触不 良，造成门与门框之间的间隙增加，引起漏波，故在门与框之间设置扼流结构， 进一步抑制微波能的泄漏。 图3 .2 7 为扼流门的具体结构。 在炉体和炉门四周的连接处及在炉门的一侧均 设有扼流槽。该槽的宽度 w 大到等于入 e/ 4 ，并且有一定的深度，使之形成一个 高阻抗区。扼流槽4 用低损耗的塑料片覆盖着，以防止干燥过程中的污染而影响 扼流槽的电性能。图示3 位置的塑料片，其本身构成了扼流槽前面的低阻抗区。 这样的安排，就造成了 a点处电性能的短路;a点处实际上是炉体和炉门之间的 缝隙。这个缝隙由电短路连接了，就可以保证能量不外漏。当然，扼流结构中的 高阻抗区和低阻抗区，在腔体工作时，均有一定的能量贮存。其电流节点在b 点 附近，有缝隙，但电流为零点，不会引起能量的辐射。为安全起见，防止微波辐 射， 在图中5 的位置安放衰减橡胶材料 ( 耐高温的硅胶、 氯丁橡胶等作为胶粘剂， 在混入纯铁粒等磁粉或石墨而成) ，较安全地吸收微量的微波辐射。 ( 2 )电抗性抑制器属于电抗性抑制器有梳形板、圆柱阵列、群岛式等。 梳形板与圆柱的高度都近似等于入 8 l 4 。 其原理是: 在电 磁波通道上， 有一个 串联支路，这个支路的作用